超级电容器（SCs）因其高功率密度、优异的循环寿命和高安全性，被认为是各种储能器件中的有力选择，并在移动通讯、航空航天、电动汽车和国防等领域展现出巨大的应用潜力。电极作为高性能SCs的关键部件备受关注，通过合理设计电极材料的形貌和表面化学性质，可以显著提高其电化学性能。静电纺丝是一种用于生产超细纤维的通用且可行的技术，被认为是制备一维纳米材料最直接和最通用的方法之一。该技术允许创建具有小直径、可控尺寸和可定制结构的纳米材料。静电纺丝碳纳米纤维（ECNFs）因其独特的一维形貌、可调节的内部孔径和杂原子掺杂能力，成为SCs电极的有前途的候选材料。更为重要的是，静电纺丝能够直接制备具有广泛性能的自支撑、无粘合剂的柔性电极材料。ECNFs的这些优势使其成为实现高性能SCs电极的理想材料，并展现出巨大的应用前景。
近日，上海理工大学余灯广/宋文良团队在《Journal of Materials Chemistry A》期刊上发表了题为“Improving supercapacitor electrode performance with electrospun carbon nanofibers: Unlocking versatility and innovation”的综述论文。该论文将用于超级电容器电极的静电纺丝碳纳米纤维设计总结为三个方面：官能团配置、孔隙结构优化和复合材料结构设计。
图1 用于超级电容器的静电纺丝碳纤维设计策略。
通常，碳材料的表面官能团作为一种结构设计方法，通过改变带隙阳离子、产生氧空位和增加载流子密度来改善电极材料的理化性能。由于静电纺丝的便捷性，含杂原子的原材料可以轻松混入电纺纤维中，经过随后的热解过程便可得到杂原子掺杂的ECNFs。
为了进一步提高电化学性能，具有多层孔结构的材料通常被用作超级电容器的电极。生成多孔材料的方法主要有两种：模板法和蚀刻法。模板法通过将模板材料均匀加入纺丝液中，在电纺后通过特定方法去除这些模板，便可在纤维中生成均匀孔隙。这种方法需要考虑模板物质在聚合物中的溶解度和分散性。蚀刻法通过从静电纺丝纤维表面去除一些易去除的材料，使纤维表面形成多孔结构。
由于静电纺丝的优势，一些不溶性材料可以作为增强相混合到ECNFs中，不仅能提升超级电容器的电化学性能，还能增强ECNFs的机械性能。静电纺丝技术赋予ECNFs膜的特性，有助于其他材料更好地粘附在ECNFs上。ECNFs的复合结构不仅增强了其电化学性能，还防止了在煅烧过程中孔隙的塌陷，从而提升了电极的力学性能。复合结构的优点在于，它为制备独立式和无粘结剂的超级电容器提供了更多可能性，同时也为制备下一代更加柔韧、可穿戴的超级电容器提供了便利。
图2 基于VOSviewer软件的静电纺丝与超级电容器交叉研究热点分析
最后，作者通过VOSviewer软件分析了静电纺丝和超级电容器交叉点的研究热点，并总结了目前用于超级电容器的静电纺丝碳纤维领域面临的挑战：
1. 绿色工艺制备：作为环境友好型储能装置，超级电容器的电极材料ECNFs需要采用绿色工艺进行制备。在静电纺丝过程中，有毒和腐蚀性溶剂的蒸发带来了生物和环境风险。因此，使用水和乙醇等环保溶剂势在必行。此外，在静电纺丝后，残余纺丝溶液需选用可持续、可生物降解且具有成本效益的聚合物和溶剂。
2. 高比电容与稳定性：设计出既具有高比电容又具有强稳定性的ECNFs是一项重大挑战。目前，电极材料循环稳定性的测试标准不统一，导致评估依据缺乏可比性。因此，应规范测试条件，以监测稳定性的变化并研究衰变机制。
3. 商业化生产：ECNFs作为超级电容器电极的商业化生产至关重要。从实验室规模生产过渡到商业化是一个重大挑战。虽然静电纺丝已实现一定程度的工业化，但需要进一步探索后处理技术以优化ECNFs的性能。
4. 性能指标的量化：现有研究主要基于各种弯曲条件下的电化学性能分析器件的灵活性，但缺乏可量化的指标。因此，设计更可量化的性能指标和测试方法对于评估ECNFs在柔性超级电容器中的性能势在必行。
5. 极端环境性能：为推进超级电容器的应用，基于ECNFs的储能系统应具备额外的特性。因此，提高ECNFs在极端环境中的性能应引起重视。
图3. 超级电容器和静电纺丝碳纤维领域面临的挑战
人物简介
余灯广：上海理工大学材料与化学学院教授，博士生导师，期刊Current Drug Delivery、Materials Highlights主编，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目、上海市自然科学基金、上海市教委科研创新重点项目、中国博士后基金第二批特别资助项目、中国博士后基金面上项目，以及与都柏林和香港等地高校合作项目10余项。发表各类论文250余篇，其中SCI收录200余篇，1%ESI高被引论文42篇，0.1%热点论文9篇，H-index为54。
宋文良：上海理工大学材料与化学学院讲师，硕士生导师，科技部中韩青年科学家，上海市启明星扬帆人才。长期从事多孔高分子纤维功能材料领域的研究工作，是中国/美国化学会、中国抗菌协会和中国材料研究学会会员。发表学术论文50余篇，H因子23，申请/授权专利8项并完成1项成果转化。曾获得英国皇家化学会Green Chemistry新锐科学家、海科杯/春晖杯/金砖创新创业大赛优秀奖和国家优秀自费留学生奖学金等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、Nano Research、BME Frontiers等杂志青年编委。
